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/> 就在李璮顿兵观望的时候，蒙廷逐渐完成了围攻济南的军事部署。不久，济南郊外集结了十几万军马。蒙军树栅凿堑，围困济南。
忽必烈为了统一军令，下诏命右丞相史天泽专征山东，诸将皆受节度。史天泽接受军前行中书省参议宋子贞的建议，与前线统帅宗王合必赤商定，急增深沟高垒，围困李璮军。
蒙军又在原有围城工事基础上进一步构筑环城，济南被完全困死。李璮身陷孤城，不复得出。
上万宋军由海路北上，进攻沧、滨等州，是举或有接应李璮的意图，没有成功。除济南、益都等大城池外，山东东路大部很快被蒙军收复。
望着城外如蚁的蒙兵，李璮顿生绝望之心，他想起了刚刚归顺宋国时，宋国皇帝赵昀作的一首诗，专门赞美他的归宋之举，诗句如下：
九扶汉鼎赖元动，泰道宏开万象新。
声塈南郊方慕义，恩渐东海悉来臣。
凯书已奏三边捷，庙算全消万里尘。
坐致太平今日事，中兴宝运喜环循。
他本人呢，自然春风得意马蹄疾，兴高采烈之余，吟起了诗词：
腰刀首帕从军，戍楼独倚间凝眺。中原气象，狐居兔穴，暮烟残照。投笔书怀，枕戈待旦，陇西年少。欢光阴掣电，易生髀肉，不如易腔改调。
世变沧海成田，奈群生、几番惊扰。干戈烂漫，无时休息，凭谁驱扫。眼底山河，胸中事业，一声长啸。太平时、相将近也，稳稳百年燕赵。
史天择督军，加紧围城，并派小股军队不断袭扰济南城。李军竭力抵抗，奈何城中粮食告急，士气逐渐衰落。
李璮命令军士随意捕捉城内百姓子女，谁抓到就归谁，一时间，兵将乱抓城内百姓，不少百姓奋起反抗，被抓的哭声震天，城内大乱。
史天择命令大军攻城，李军抵挡不住，蒙军攻入济南城，李璮率军左冲右突，不能脱围。
李璮坐庭院中，拈香而拜，大呼："李璮死于此！李璮死于此！"
第二天，蒙军杀向济南府衙，李璮见大势已去，手刃爱妾，乘舟自投城内大明湖中，因水浅未死，被蒙军捉获。
史天择命令亲兵将李璮带上来，李璮恳求道："史丞相，我已知错，你我皆是汉人，你饶了我吧，我再也不起兵反蒙了！"
合必赤粗声道："李璮，你当初起兵反蒙时，收到宋帝赵昀的赞美诗，你呢，写了反蒙诗，今日被擒，为何如此低三下四？！你为何不像你爹，有点英雄气慨！"
史天择手拈白须，缓缓道："既知今日，何必当初？严忠范，行刑！"
严忠范走到李璮身边，突然拔出短刀，剌向李璮右肋。
李璮惨叫一声，倒地不起，兀自挣扎，口呼："史丞相，你有文书约俺起兵，何故背盟？"
史天择听了，脸色突变，命令严忠范继续行刑。
合必赤急忙制止，为时已晚，严忠范刀起，已割下李璮首级。
不久，史天择引军东行，未至益都，城中人已开门迎降，李璮之乱至此完全平息。
此番李璮反蒙，牵涉到很多被忽必烈委以文、武要职的汉人亲信。中书平章王文统与李璮长期秘密沟通，事发后与其子王荛一同被诛。推荐过王文统的刘秉忠、张易、商挺、赵良弼等人都受到忽必烈的怀疑。商挺从关中被急召回都，受到软禁和盘查；赵良弼更被"威刑临恐，谴诃百至"。至于史天泽在济南城下之日匆忙杀李璮灭口，回朝后则以"擅杀自劾"。忽必烈虽未加罪责，但李璮与汉地世侯们私下交通，他心里显然是十分清楚的。
事实上，世侯中间走得最远的如济南张荣之子张邦直，或在宋兵呼应李璮从南线发动攻击时，献邳州城投降过宋朝。在汗位争端尚未完全解决的情况下，过分追究北方世侯与李璮之乱的关系，可能把他们逼到公开与朝廷对抗的立场上去，这会给政权本身带来很大危害。因此，忽必烈很快停止了追究，在政治上继续优容各地世侯，以免迫使他们铤而走险；同时也充分利用他们害怕朝廷深究的自危心理，裁削私家权力，把这些专制一方的军阀变成中央集权的专制君主统治下的文武官僚。
不久，蒙廷先后在北方汉地实施兵、民分治，罢世侯、置牧守、行迁转法，易置汉人将领部属、将不擅兵等制度。从这个意义上可以说，李璮之乱失败，进一步促成忽必烈政权对华北各地统治的集权化过程。